閭海慶，康 鑫，雷遠(yuǎn)華，劉佳明

(湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

攝影全站儀在電廠煙囪快速監(jiān)測(cè)中應(yīng)用研究

閭海慶，康 鑫，雷遠(yuǎn)華，劉佳明

(湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

概述了攝影測(cè)量方法在煙囪快速監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，提出了一種基于攝影全站儀的電廠煙囪變形監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)該方法所應(yīng)用的理論進(jìn)行嚴(yán)格縝密的驗(yàn)證。通過(guò)與傳統(tǒng)方法對(duì)比表明其具有測(cè)量結(jié)果連續(xù)、效率高、周期短和成本低的優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明這是一種具有實(shí)用意義值得推廣的好方法。

變形監(jiān)測(cè)；攝影全站儀；攝影測(cè)量；最小二乘法；精度。

1 基于攝影全站儀的煙囪變形攝影測(cè)量方法及其特點(diǎn)

1.1 攝影全站儀

攝影全站儀將數(shù)碼相機(jī)與全站儀有機(jī)結(jié)合在一起，并且配有廣角和長(zhǎng)焦兩種照相模式，可以同時(shí)獲取影像的內(nèi)外方位元素等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了全站儀測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的結(jié)合。IS攝影全站儀的內(nèi)參數(shù)是固定的(類似于量測(cè)相機(jī))，每幅圖像的外方位元素可以直接由儀器生成并保存，無(wú)需定向，從而大大簡(jiǎn)化了攝影測(cè)量的工作流程，而長(zhǎng)焦相機(jī)更是可以達(dá)到1.3 mm/100 m的精度，對(duì)提高整個(gè)測(cè)量的精度非常實(shí)用。另外攝影全站儀還配有操作軟件，該軟件可安裝在筆記本上，通過(guò)有線或者無(wú)線連接全站儀，從而方便快捷地進(jìn)行測(cè)量、拍照、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?，提供圖像所見(jiàn)即所測(cè)的功能，在屏幕上拖動(dòng)鼠標(biāo)就可以旋轉(zhuǎn)全站儀對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，可以大大提高測(cè)量效率。

1.2 基于攝影全站儀的變形測(cè)量

基于攝影全站儀的變形測(cè)量基本原理是將空間斷面圓投影到影像上，一般將會(huì)得到一個(gè)橢圓，而根據(jù)攝影幾何知識(shí)，視線與空間斷面圓的切點(diǎn)在圖像上的投影必定位于影像上煙囪的輪廓線中。利用切點(diǎn)在圖像上的投影點(diǎn)與圖像煙囪輪廓線的距離最小的條件計(jì)算圓心坐標(biāo)(X，Y)和半徑R，至少需要三個(gè)觀測(cè)(即三個(gè)視)條件，如果有多余觀測(cè)，則可以用最小二乘法，精確定出空間圓的中心坐標(biāo)。

見(jiàn)圖2，設(shè)煙囪空間斷面圓為圓O，空間測(cè)站點(diǎn)為S，SZ為豎直向上方向。圓O所在平面為水平面，顯然沿Z負(fù)方向，其在經(jīng)過(guò)站點(diǎn)S的水平面上的投影為正圓，設(shè)其投影圓為圓O′，設(shè)SL1′為圓O′的切線，切點(diǎn)為A′，則有O′A′⊥SL1′。設(shè)A是A′投影前點(diǎn)，則有AA′//SZ，所以點(diǎn)A在平面L′SZ上。由AA′//OO′可得AA′OO′共面。SL1′⊥O′A′，SL1′⊥OO′可得SL1′垂直于平面AA′OO′，故SL1′⊥OA，再由OA⊥SZ可得出OA平面L1′SZ。故OA⊥SA，A點(diǎn)即為影像上所看到的輪廓線上點(diǎn)，所有A點(diǎn)在影像上的投影即構(gòu)成輪廓線。故視SL1與空間圓的“切點(diǎn)”A(準(zhǔn)確說(shuō)是經(jīng)過(guò)站點(diǎn)S的鉛垂面與空間斷面圓相切的切點(diǎn))平面坐標(biāo)等價(jià)于由經(jīng)站點(diǎn)S到空間圓O豎直向下在站點(diǎn)S所在水平面的投影圓O′的切線SL1′與圓O′的切點(diǎn)A′的平面坐標(biāo)。

圖2 空間斷面圓投影示意圖

圖3 示意圖

為方便計(jì)算，見(jiàn)圖3，我們選擇將站點(diǎn)S沿豎直方向投影到空間斷面圓所在平面的方式，設(shè)空間圓圓心為O，S為攝影中心，D為S在空間圓所在平面的投影，A、C兩點(diǎn)為視線與圓的切點(diǎn)，在影響上表現(xiàn)為煙囪的輪廓。影像上煙囪的輪廓即為A點(diǎn)在影像上投影的集合。在圖中，設(shè)O點(diǎn)坐標(biāo)為(X0, Y0, Z0)，則A、C兩點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為

由公式⑴⑵⑶⑷⑸可知，如果已知空間圓的位置(X0, Y0, Z0)與半徑R，攝影中心位置(Xs,Ys, Zs)，可以得到θ1和θ2，進(jìn)而求出A、C的空間坐標(biāo)。

攝影測(cè)量的共線方程[1][2]表達(dá)式如下：

(XA, YA)和(XC, YC)為觀測(cè)值，X0、Y0和R為待求未知數(shù)。給定X0、Y0和R的初始值，可計(jì)算 A、C兩點(diǎn)在影像上的坐標(biāo)(XA, YA)和(XA, YA)， 認(rèn)為輪廓線上距離(XA, YA)和(XA, YA)最近的點(diǎn)為兩點(diǎn)在影像上的真實(shí)坐標(biāo)，與其比較并求解，可以得到X0、Y0和R的改正量，從而依此迭代求出空間圓的真實(shí)位置和半徑。

在公式⑽中根據(jù)最小二乘原理可得

事實(shí)上，每個(gè)站點(diǎn)可以有兩個(gè)視，即觀測(cè)到A點(diǎn)和C點(diǎn)。每個(gè)視的約束條件只有一個(gè)，即空間切點(diǎn)在影像上的投影點(diǎn)距離輪廓線距離最小，故每個(gè)視只有一個(gè)觀測(cè)值。理論上至少需要3個(gè)視求出空間圓的 X0、Y0和R。但考慮到多余觀測(cè)和網(wǎng)形的可靠性，一般建議至少三個(gè)測(cè)站環(huán)繞煙囪均勻分布。

1.支撐載體技術(shù)化。新媒體的最典型的特征就是依托現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)提供媒介服務(wù)。新媒體的應(yīng)用技術(shù)，主要表現(xiàn)為數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及移動(dòng)通信技術(shù)。這三種技術(shù)不是相互獨(dú)立的，而是相互支撐，共同構(gòu)成了新媒體的技術(shù)支撐系統(tǒng)。人類歷史上每一次重大的變革都與新技術(shù)的出現(xiàn)和使用密切相關(guān)。人們?cè)诩夹g(shù)的變革下獲得更加快捷、豐富的信息接受渠道，這些新技術(shù)顛覆了人們過(guò)去的習(xí)慣，強(qiáng)迫人們適應(yīng)新的媒介傳播方式?？梢?jiàn)不但是人類改變了媒體，媒體也改變了人類。

2 對(duì)比分析

對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，新型監(jiān)測(cè)方法在理論分析和實(shí)踐應(yīng)用中都有巨大優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴理論嚴(yán)密，方法簡(jiǎn)便易行

新型監(jiān)測(cè)方法依據(jù)攝影測(cè)量基本原理，共線條件方程是其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。新方法的每一步都有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，確定了其高度的理論嚴(yán)密性性。攝影測(cè)量具有悠久的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量，現(xiàn)已經(jīng)處于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段，理論和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，將其應(yīng)用于煙囪的變形監(jiān)測(cè)中，無(wú)疑是最有保障的。且新型測(cè)量方法只需拍攝獲取煙囪的輪廓線信息，依次拍全煙囪的輪廓線即可，對(duì)外業(yè)無(wú)更多要求，外業(yè)人員只需遠(yuǎn)程在電腦上操作，攝影全站儀既可以自動(dòng)完成全站儀的所有拍攝任務(wù)，自動(dòng)化程度高。

傳統(tǒng)方法雖然理論上可行，但其對(duì)外業(yè)人員要求較高，需要專業(yè)的測(cè)量人員對(duì)全站儀進(jìn)行全手工操作，此外，傳統(tǒng)方法解算某一斷面圓平面坐標(biāo)和半徑時(shí)，需外業(yè)人員多個(gè)測(cè)站均對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)空間斷面圓，煙囪表面紋理信息缺乏，不可能有空間斷面圓的標(biāo)示環(huán)，故外業(yè)無(wú)法滿足理論上的這一要求。

⑵測(cè)前精度預(yù)估計(jì)，指導(dǎo)設(shè)站

測(cè)站點(diǎn)分布和位置對(duì)煙囪變形監(jiān)測(cè)的精度是有影響的。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法在設(shè)站前無(wú)法預(yù)估最后的監(jiān)測(cè)精度，即便測(cè)量后也無(wú)法給出一個(gè)精確的誤差范圍，這在工程測(cè)量中是無(wú)法接受的。新型監(jiān)測(cè)方法正是因?yàn)槠溆袊?yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，所以其測(cè)量后能給出解算嚴(yán)密的精度估計(jì)。更重要的是，其在測(cè)量前能更具測(cè)站點(diǎn)的大致分布和位置，預(yù)估測(cè)量后的精度。這對(duì)測(cè)量任務(wù)實(shí)施前確立方案的可行性是具有重大指導(dǎo)意義的。

新型監(jiān)測(cè)方法因?yàn)槠淅碚摰膰?yán)密性和實(shí)踐的可操作性，其最后的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的精度。在湖南華能岳陽(yáng)電廠和大唐婁底電廠的兩處實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度評(píng)估中誤差均在12 mm左右，而煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定200 m以上煙囪的允許傾斜率為2 ‰，即400 mm，所以新型監(jiān)測(cè)方法的成果精度上完全滿足對(duì)煙囪安全監(jiān)測(cè)的要求。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)最后的監(jiān)測(cè)成果精度上尚無(wú)嚴(yán)密的精度評(píng)定，一般只是根據(jù)測(cè)量人員經(jīng)驗(yàn)判斷，成果可信度不高。

⑷成果連續(xù)性

新型監(jiān)測(cè)方法所測(cè)量的空間斷面圓的個(gè)數(shù)與外業(yè)作業(yè)量無(wú)關(guān)。內(nèi)業(yè)解算時(shí)設(shè)置不同的斷面圓間隔參數(shù)，可以得到不同密度的空間斷面圓信息。另外可以直接指定空間斷面圓高程，得到空間斷面圓的平面坐標(biāo)和半徑大小。簡(jiǎn)單的說(shuō)，可以認(rèn)為新型監(jiān)測(cè)方法測(cè)量的空間斷面圓是連續(xù)的。

而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法外業(yè)工作量和所測(cè)量的空間斷面圓的個(gè)數(shù)是成正比的。每增加一個(gè)斷面圓的監(jiān)測(cè)任務(wù)，外業(yè)監(jiān)測(cè)中的每一測(cè)站點(diǎn)就各多一次測(cè)量，所以根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)。而且考慮到外業(yè)的任務(wù)量，實(shí)際能測(cè)到的斷面圓的個(gè)數(shù)也非常有限。無(wú)法滿足需要查看指定高程斷面圓參數(shù)的要求。

⑸成果應(yīng)用豐富

新型監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)成果具有連續(xù)性，可以很方便的做成各種曲線圖，各個(gè)不同時(shí)期的曲線做比較，斷面層密度大，更能反映細(xì)節(jié)，更能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)比分析得出的結(jié)論也更有說(shuō)服力。同時(shí)也可以利用監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)恢復(fù)煙囪的三維模型，用于演示展覽或者三維可視化分析等等。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法測(cè)量的斷面?zhèn)€數(shù)少，除簡(jiǎn)單的對(duì)比分析外，不能轉(zhuǎn)化成其他成果。成果單一，應(yīng)用范圍小，擴(kuò)展性不好，無(wú)法滿足后續(xù)發(fā)展的需要。

⑹監(jiān)測(cè)效率高

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法每一斷面圓都需要人工去觀測(cè)、記錄，完成一個(gè)煙囪的監(jiān)測(cè)任務(wù)需要兩天左右，而新型監(jiān)測(cè)方法除去整平定向等基本操作人工進(jìn)行外，拍攝操作全自動(dòng)進(jìn)行，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄。完成一個(gè)煙囪的監(jiān)測(cè)任務(wù)僅需要半天左右。

⑺監(jiān)測(cè)成本低

新型監(jiān)測(cè)方法基本實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)任務(wù)的自動(dòng)化，大大減輕了外業(yè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。監(jiān)測(cè)成本主要是外業(yè)成本。由于可以縮短外業(yè)工時(shí)，降低外業(yè)工作強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)成本得到大幅降低。成本降低能夠使監(jiān)測(cè)頻率得到相應(yīng)的上升，更進(jìn)一步確保的了煙囪的安全。

表1 傳統(tǒng)方法與新型方法對(duì)比

3 應(yīng)用

為了驗(yàn)證基于攝影全站儀的煙囪變形測(cè)量方法，開發(fā)了專門的數(shù)據(jù)處理軟件。通過(guò)此軟件，可以實(shí)現(xiàn)工程管理，輪廓線自動(dòng)提取，迭代初值求解，自動(dòng)平差解算，平差解算精度評(píng)定等功能。

同時(shí)，將新型監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用到華能岳陽(yáng)電廠，實(shí)踐證明新型方法監(jiān)測(cè)的平面精度在12 mm左右，而半徑精度在9 mm左右。完全滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在煙囪變形監(jiān)測(cè)中，本項(xiàng)目提出的基于攝影全站儀的變形測(cè)量方法相比傳統(tǒng)測(cè)量方法，具有理論嚴(yán)密，易于實(shí)施，并能在測(cè)量前進(jìn)行精度預(yù)估和指導(dǎo)設(shè)站，測(cè)量結(jié)果精度高且有連續(xù)性、具有應(yīng)用豐富，效率高，周期短，成本低的優(yōu)勢(shì)，可以在今后的煙囪、冷卻塔和風(fēng)機(jī)變形監(jiān)測(cè)中加以推廣應(yīng)用。

[1]馮文灝．工業(yè)測(cè)量[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2004．

[2]馮文灝．近景攝影測(cè)量——物體外形與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的攝影法測(cè)定[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社， 2002．

[3]岡薩雷斯．?dāng)?shù)字圖像處理(第二版)[M]， 北京：電子工業(yè)出版社， 2003．

[4]武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)量平差教研室．測(cè)量平差基礎(chǔ)(第三版)[M]．北京：測(cè)繪出版社， 2001．

[5]張祖勛， 張劍清．?dāng)?shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社， 2002．

Application of Image Station to Quick-monitoring of Power Plant Chimney

LV Hai-qing, KANG Xin , LEI Yuan-hua , LIU Jia-ming
(Hunan Electric Power Design Institute, Hunan 410007, China)

This paper has introduced the photogrammetry method in Quick-Monitoring of Power Plant Chimney,proposed deformation monitoring of Power Plant chimney based on Image Station， and the theory which applies to this method carries on the strict meticulous con fi rmation。Compared with the conventional routes , it has the surveying result， the application to be continuous， ef fi cient， short -cycle and low –cost.So this is a good method which has the practical signi fi cance to be worth promoting.

deformation monitoring; image station; photogrammetry; least squares method; precision.

P2

B

1671-9913(2011)01-0028-06

2010-10-14

閭海慶 (1981-)，男，江蘇南通人 ，碩士，研究方向?yàn)榻皵z影測(cè)量及航空攝影測(cè)量在電力行業(yè)中的應(yīng)用。